Βελτιωμένη μοντελοποίηση εξαρτώμενη από τη συχνότητα της μεταβατικής συμπεριφοράς γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

Scope of this thesis is the development of a frequency-dependent multiphase power transmission line transient model, which is based on the generalized nodal analysis and is suitable for transient simulations both in frequency- and time-domain. Initially, modal analysis is presented, which is a valuable tool for the decoupling and further solution of the telegrapher’s equations. Under this framework, a new method is proposed for the calculation of frequency-dependent propagation characteristics as smooth functions of frequency. The proposed method is highly accurate, robust, numerically efficient and applicable to all types of transmission line configurations. Next, the natural frequencies of power transmission lines and their excitation in transients or under high-frequency steady-state conditions are calculated. A new technique is proposed for the calculation of natural frequencies, which is generalized and applicable to any type of transmission lines, taking fully into account the circuit parameters as well as the frequency dependence of their propagation characteristics. Based on the generalized nodal analysis and the above-mentioned techniques, a new formulation of the nodal admittance matrix is introduced, using a minimal number of frequency data samples. The proposed formulation can be implemented in the calculation of transient responses of any type of transmission lines, being remarkably efficient when complex computational forms are considered for the determination of the transmission line propagation characteristics. Finally, the proposed formulation is used in an enhanced transient transmission line model suitable for the calculation of transients both in frequency- and time-domain. The performance of the enhanced model is validated using detailed simulations as well as real measurements for various cases of overhead and underground transmission lines.

Η παρούσα διατριβή έχει ως αντικείμενο την ανάπτυξη ενός μοντέλου προσομοίωσης πολυφασικών γραμμών μεταφοράς με παραμέτρους πλήρως εξαρτώμενες από τη συχνότητα, το οποίο βασίζεται στη γενικευμένη μέθοδο κόμβων και μπορεί να επιλυθεί είτε στο πεδίο της συχνότητας είτε στο πεδίο του χρόνου. Αρχικά, παρουσιάζεται η θεωρία του ιδιομετασχηματισμού που αποτελεί τη βάση για την αμοιβαία απόζευξη των τηλεγραφικών εξισώσεων και την περαιτέρω επίλυση τους. Στο πλαίσιο αυτό προτείνεται μια νέα μέθοδος υπολογισμού των κυματικών χαρακτηριστικών των γραμμών μεταφοράς ως ομαλών συναρτήσεων της συχνότητας. Η προτεινόμενη μέθοδος παρουσιάζει υψηλή υπολογιστική ακρίβεια και είναι εφαρμόσιμη σε όλους τους τύπους γραμμών μεταφοράς, ενώ χαρακτηρίζεται από αυξημένη αριθμητική ευστάθεια και χαμηλό υπολογιστικό κόστος. Στη συνέχεια, εξετάζονται οι φυσικές συχνότητες των γραμμών μεταφοράς και η διέγερσή τους κατά την εκδήλωση ενός μεταβατικού φαινομένου ή υπό συνθήκες υψίσυχνης μόνιμης κατάστασης λειτουργίας. Προτείνεται μια νέα μέθοδος για τον προσδιορισμό τους, η οποία είναι γενικευμένη και μπορεί να εφαρμοστεί σε κάθε τύπο πολυφασικής γραμμής μεταφοράς, λαμβάνοντας υπόψη την εξάρτηση των κυματικών χαρακτηριστικών από τη συχνότητα καθώς και από όλες τις άλλες παραμέτρους που τις επηρεάζουν. Με βάση τη γενικευμένη μέθοδο κόμβων και τις παραπάνω τεχνικές αναπτύσσεται μια νέα μέθοδος προσδιορισμού του πίνακα σύνθετων αγωγιμοτήτων κόμβων στο πεδίο της συχνότητας, η οποία στηρίζεται σε ένα περιορισμένο πλήθος δειγμάτων στη συχνότητα. Η νέα μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιοδήποτε τύπο γραμμής μεταφοράς, ενώ είναι ιδιαίτερα αποδοτική στην προσομοίωση μεταβατικών φαινομένων όπου η επίδραση της γης υπολογίζεται μέσω σύνθετων αλγορίθμων που έχουν προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία. Τέλος, η προτεινόμενη μέθοδος ενσωματώνεται σε τεχνικές προσομοίωσης μεταβατικών φαινομένων που επιλύονται τόσο στο πεδίο της συχνότητας όσο και στο πεδίο του χρόνου. Η επαλήθευση του νέου μοντέλου πραγματοποιείται με τη χρήση αναλυτικών προσομοιώσεων καθώς και πειραματικών μετρήσεων για διάφορες περιπτώσεις εναέριων, υπόγειων και επίγειων γραμμών μεταφοράς.